解糖系とクエン酸回路

解糖系（細胞質基質、グルコース → 2 ピルビン酸、NADH と ATP の生成）とクエン酸回路（ミトコンドリアのマトリックス、アセチル CoA、 $C O_{2}$ の放出、NADH・ $FAD H_{2}$ の生成）で起こることと反応の場所について、正しい記述を選べる

前提

酵素と補酵素（高校生物代謝（知識））
代謝と ATP （高校生物代謝（知識））
細胞小器官のはたらき（高校生物細胞と分子（知識））

この技能までの道筋（66 技能）

算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端（太枠）がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る（前提が先）

実験器具の使い方と安全（中学理科化学分野の用語と知識）
気体の発生方法・性質・集め方（中学理科化学分野の用語と知識）
有機物・無機物と金属の性質（中学理科化学分野の用語と知識）
原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子の構造と同位体（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
電子配置と価電子（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
周期表と周期律（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオン化エネルギー・電子親和力・電気陰性度（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
イオン結合と金属結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
共有結合と配位結合（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
分子の形と極性（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
分子間力と沸点（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
結晶の種類と性質（高校化学物質の構成と化学結合（知識））
水溶液の性質と再結晶（中学理科化学分野の用語と知識）
溶解のしくみ（水和）と極性による溶けやすさ（高校化学溶液の性質（知識））
有機化合物の特徴と官能基による分類（高校化学有機化合物（知識））
酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）
アレニウスとブレンステッド・ローリーの酸・塩基の定義（高校化学酸と塩基（知識））
酸・塩基の価数・強弱と電離度（高校化学酸と塩基（知識））
水の電離と pH・身のまわりの物質の液性（高校化学酸と塩基（知識））
アミノ酸の性質と等電点（高校化学高分子化合物（知識））
構造異性体（高校化学有機化合物（知識））
脂肪族炭化水素の置換反応・付加反応・付加重合（高校化学有機化合物（知識））
分解と化合（化学変化の種類）（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化と還元（中学理科化学分野の用語と知識）
酸化・還元の定義（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
アルコールとエーテル（高校化学有機化合物（知識））
酸化数と酸化・還元の判定（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
酸化剤と還元剤（高校化学酸化還元と電池・電気分解（知識））
アルデヒドとケトン（高校化学有機化合物（知識））
弱酸の遊離・揮発性の酸の遊離（高校化学酸と塩基（知識））
カルボン酸とエステル（高校化学有機化合物（知識））
高分子化合物の特徴と重合の種類（高校化学高分子化合物（知識））
タンパク質の構造・変性・検出反応（高校化学高分子化合物（知識））
細胞でのタンパク質の立体構造とはたらき（高校生物細胞と分子（知識））
消化と吸収（中学理科生物分野の用語と知識）
原子量・分子量・式量（高校化学物質量と化学反応式）
物質量と質量・粒子の数（高校化学物質量と化学反応式）
気体の体積と物質量（高校化学物質量と化学反応式）
化学反応式の係数（中学理科化学変化と原子・分子）
化学反応式と量的関係（高校化学物質量と化学反応式）
モル濃度（高校化学物質量と化学反応式）
反応速度の表し方（高校化学反応速度（知識））
状態変化と粒子・融点・沸点・蒸留（中学理科化学分野の用語と知識）
熱運動と絶対温度（高校物理熱と気体（知識））
ボイル・シャルルの法則と理想気体（高校物理熱と気体（知識））
アボガドロの法則と気体の状態方程式（高校化学物質の状態と気体（知識））
分圧の法則とモル分率（高校化学物質の状態と気体（知識））
化学変化と熱・質量保存の法則（中学理科化学分野の用語と知識）
発熱反応・吸熱反応と反応エンタルピーの符号（高校化学化学反応とエネルギー（知識））
細胞のつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
植物のからだのつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
光合成・呼吸・蒸散（中学理科生物分野の用語と知識）
光を吸収して起こる反応（光合成・光化学反応・光触媒）（高校化学化学反応とエネルギー（知識））
反応速度を変える条件（濃度・圧力・表面積・光）（高校化学反応速度（知識））
活性化エネルギーと遷移状態（高校化学反応速度（知識））
可逆反応と化学平衡の状態（高校化学化学平衡（知識））
平衡定数の意味と変化する条件（高校化学化学平衡（知識））
触媒のはたらきと種類（高校化学反応速度（知識））
酵素の性質（高校化学高分子化合物（知識））
酵素の活性部位と阻害（高校生物細胞と分子（知識））
酵素と補酵素（高校生物代謝（知識））
代謝と ATP （高校生物代謝（知識））
生物の共通性と原核細胞・真核細胞（高校生物細胞と分子（知識））
細胞小器官のはたらき（高校生物細胞と分子（知識））

説明

呼吸は、グルコースなどの有機物を段階的に分解してエネルギーを取り出し、ATP をつくるしくみで、解糖系・クエン酸回路・電子伝達系の 3 つの段階からなります。この技能では、そのうち前半の 2 つ、解糖系とクエン酸回路について、反応が起こる場所と、各段階で何ができて何が放出されるのかを整理します。呼吸の過程についての記述を読んで、場所・物質・生成物の組み合わせが正しいかを判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

グルコースを一気に燃やすと、エネルギーが熱として一度に出てしまい、ATP の形でたくわえることができません。そこで細胞は、酵素がはたらく小さな反応を何段階にも分けて少しずつグルコースを分解し、取り出したエネルギーを ATP や、電子と水素を運ぶ補酵素（ $NADH$ ・ $FAD H_{2}$ ）の形で受け取っています。有機物から電子と水素を取り去ることは酸化にあたり、そのとき $NA D^{+}$ や FAD が電子と水素を受け取って $NADH$ ・ $FAD H_{2}$ になります。

第 1 段階の解糖系は、細胞質基質で起こります。炭素 6 個のグルコース 1 分子が、炭素 3 個のピルビン酸 2 分子に分解されます。途中で ATP を 2 分子使いますが、4 分子つくられるので、差し引き 2 分子の ATP が得られます。また、このとき $NA D^{+}$ が電子と水素を受け取って $NADH$ が 2 分子できます。炭素の数は $6 = 3 \times 2$ で変わらないので、解糖系では二酸化炭素は放出されず、酸素も使いません。

ピルビン酸はミトコンドリアのマトリックス（内膜に囲まれた内側の部分）に入ります。ここでピルビン酸（炭素 3 個）は、二酸化炭素を 1 分子放出し、 $NADH$ を生じながら、炭素 2 個の部分をもつアセチル CoA になります。アセチル CoA は、炭素 4 個のオキサロ酢酸と結合して炭素 6 個のクエン酸になり、クエン酸は段階的に分解されて二酸化炭素を放出しながら再びオキサロ酢酸に戻ります。このように反応が一回りして元の物質に戻るので、クエン酸回路と呼ばれます。この過程で炭素は二酸化炭素として放出され、電子と水素は $NADH$ と $FAD H_{2}$ に受け渡され、ATP も少量（グルコース 1 分子あたり 2 分子）つくられます。グルコース 1 分子の炭素 6 個は、ピルビン酸からアセチル CoA ができる段階とクエン酸回路とで、最終的にすべて二酸化炭素（合わせて 6 分子）として放出されます。ここでできた $NADH$ ・ $FAD H_{2}$ は、次の段階（電子伝達系）で多くの ATP をつくるのに使われます。

手順

記述がどの段階（解糖系・ピルビン酸からアセチル CoA・クエン酸回路）の話かを見分ける
反応の場所を確かめる: 解糖系は細胞質基質、ピルビン酸からアセチル CoA の反応とクエン酸回路はミトコンドリアのマトリックス
解糖系で起こることを確かめる: グルコース（C6）1 分子 → ピルビン酸（C3）2 分子。ATP は差し引き 2 分子、 $NADH$ が 2 分子。 $C O_{2}$ の放出なし
クエン酸回路で起こることを確かめる: アセチル CoA（C2）＋オキサロ酢酸（C4）→ クエン酸（C6）→ … → オキサロ酢酸。 $C O_{2}$ を放出し、 $NADH$ ・ $FAD H_{2}$ と少量の ATP ができる
場所・物質名・炭素数・ $C O_{2}$ が出る段階・生成物の組み合わせに食い違いがないかを調べて正誤を判定する

例題

呼吸の解糖系とクエン酸回路について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　解糖系はミトコンドリアのマトリックスで起こり、グルコース 1 分子からピルビン酸 2 分子ができる。
イ　解糖系では、グルコースが分解されるときに二酸化炭素が放出される。
ウ　クエン酸回路では、アセチル CoA とオキサロ酢酸からクエン酸ができ、回路が一回りする間に二酸化炭素が放出され、 $NADH$ と $FAD H_{2}$ が生じる。
エ　クエン酸回路は細胞質基質で起こり、ATP が全く生じない。

例題の解答

手順 1・2 で、各選択肢の段階と場所を確かめる。

ア: 解糖系の話である。手順 2 より、解糖系の場所は細胞質基質であり、ミトコンドリアのマトリックスではない。誤り。

イ: 解糖系の話である。手順 3 より、グルコース（C6）1 分子がピルビン酸（C3）2 分子になるだけで炭素の数は変わらず、二酸化炭素は放出されない。誤り。

ウ: クエン酸回路の話である。手順 4 のとおり、アセチル CoA とオキサロ酢酸からクエン酸ができ、二酸化炭素を放出しながらオキサロ酢酸に戻り、その間に $NADH$ ・ $FAD H_{2}$ が生じる。正しい。

エ: クエン酸回路の話である。手順 2 より場所はミトコンドリアのマトリックスであり、手順 4 より少量の ATP がつくられる。誤り。

よって答えはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

解糖系もミトコンドリアで起こるとしてしまう誤り。正しくは、解糖系は細胞質基質で起こり、ミトコンドリアのマトリックスで起こるのはピルビン酸からアセチル CoA ができる反応とクエン酸回路である。
解糖系で二酸化炭素が放出されるとしてしまう誤り。正しくは、解糖系はグルコース（C6）1 分子 → ピルビン酸（C3）2 分子で炭素数が変わらず、 $C O_{2}$ は放出されない。 $C O_{2}$ が放出されるのは、ピルビン酸からアセチル CoA ができる段階とクエン酸回路である。
解糖系で ATP が 4 分子得られるとしてしまう誤り。正しくは、ATP は 4 分子つくられるが途中で 2 分子使うので、グルコース 1 分子あたり差し引き 2 分子である。
クエン酸回路で $NADPH$ ができる、または $FAD H_{2}$ が解糖系でできるとしてしまう誤り。正しくは、解糖系でできるのは $NADH$ 、クエン酸回路でできるのは $NADH$ と $FAD H_{2}$ で、 $NADPH$ はおもに光合成ではたらく補酵素である。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
呼吸の過程のうち、解糖系とクエン酸回路について述べた文として正しいものを、次のア〜オから 1 つ選べ。
- ア　解糖系の反応は、ミトコンドリアのマトリックスで起こる
- イ　解糖系では、グルコースが分解されて二酸化炭素が放出される
- ウ　解糖系では、1 分子のグルコースが 2 分子のピルビン酸に分解される
- エ　クエン酸回路の反応は、細胞質基質で起こる
- オ　クエン酸回路では、NADH や $FAD H_{2}$ はつくられない

この技能を使う問題

難易度 2（教科書の章末問題レベル）
真核生物の細胞が行う呼吸は、解糖系・クエン酸回路・電子伝達系の3つの過程に分けられる。呼吸の各過程と、その反応が起こる場所について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから1つ選べ。
- ア　解糖系では、グルコースがピルビン酸に分解される過程で $NA D^{+}$ が還元されて NADH が生じる。この反応はミトコンドリアのマトリックスで起こる。
- イ　解糖系で生じたピルビン酸はミトコンドリアのマトリックスに取り込まれてアセチル CoA に変えられる。この過程では $C O_{2}$ は放出されない。
- ウ　電子伝達系では、NADH や $FAD H_{2}$ から渡された電子がミトコンドリア内膜のタンパク質複合体を順に伝わり、その際に $H^{+}$ がマトリックスから膜間腔へ輸送される。この $H^{+}$ が ATP 合成酵素を通ってマトリックスへ戻るときに ATP が合成される。
- エ　呼吸で細胞に取り込まれた $O_{2}$ は、ミトコンドリアのマトリックスで進むクエン酸回路において有機物の炭素と結合し、 $C O_{2}$ となって放出される。
- オ　クエン酸回路はミトコンドリアのマトリックスで進み、その過程で NADH や $FAD H_{2}$ が生じる。呼吸で合成される ATP の大部分は、このクエン酸回路の反応によって合成される。

この技能の次に学べること

電子伝達系と ATP 合成（高校生物代謝（知識））
発酵と解糖（高校生物代謝（知識））